물리학자들은 마치 원자 행성인 것처럼 양성자를 탐구하기 시작했습니다. 장면 전환 맵에는 입자 내부에 대해 새로 발견된 세부 정보가 표시됩니다. 양성자의 핵심 특징은 알려진 다른 어떤 형태의 물질보다 더 강한 압력을 가하는 것입니다. 표면의 중간쯤에서 충돌하는 힘의 소용돌이가 서로를 밀어냅니다. 그리고 전체적으로 "행성"은 이전 실험에서 제안한 것보다 작습니다.

실험적 조사는 모든 원자를 고정하고 우리 세계의 대부분을 구성하는 입자를 이해하기 위한 탐구의 다음 단계를 나타냅니다.

“우리는 이것이 물질의 근본적인 구조를 보는 방식을 바꿀 완전히 새로운 방향을 여는 것으로 보고 있습니다.”라고 말했습니다. 라티파 엘루아드리리, 버지니아 주 뉴포트 뉴스에 있는 Thomas Jefferson National Accelerator Facility의 물리학자로서 이 노력에 참여하고 있습니다.

실험은 문자 그대로 양성자에 새로운 빛을 비췄습니다. 수십 년에 걸쳐 연구자들은 양으로 하전된 입자의 전자기 영향을 꼼꼼하게 파악해 왔습니다. 그러나 새로운 연구에서 Jefferson Lab 물리학자들은 대신 양성자의 중력 영향, 즉 입자 내부와 주위의 시공간 구조를 구부리는 에너지, 압력 및 전단 응력의 분포를 매핑하고 있습니다. 연구자들은 빛의 입자인 광자 쌍이 중력을 전달한다고 가정된 입자인 중력자를 모방할 수 있는 독특한 방법을 이용하여 이를 수행했습니다. 광자로 양성자를 핑함으로써 그들은 중력이 양성자와 어떻게 상호 작용하는지 간접적으로 추론하여 이 대안적인 방식으로 양성자를 조사하려는 수십 년 된 꿈을 실현했습니다.

"그것은 역작이다"라고 말했다 세드릭 로세, 작업에 참여하지 않은 프랑스 Ecole Polytechnique의 물리학 자. "실험적으로는 매우 복잡합니다." 

광자에서 중력자까지

물리학자들은 지난 70년 동안 양성자를 반복적으로 전자와 부딪치면서 양성자에 대해 엄청난 양을 배웠습니다. 그들은 전하가 중심에서 약 0.8펨토미터, 즉 XNUMX분의 XNUMX미터까지 확장된다는 것을 알고 있습니다. 그들은 들어오는 전자가 내부에서 윙윙거리는 세 가지 쿼크(전하의 일부를 가진 기본 입자) 중 하나를 흘끗 보는 경향이 있다는 것을 알고 있습니다. 그들은 또한 더 강력한 충돌에서 전자가 나타나는 것처럼 보이는 양자 이론의 매우 이상한 결과를 관찰했습니다. 거품 바다를 만나다 훨씬 더 많은 쿼크와 글루온으로 구성되어 있는데, 이는 쿼크를 서로 접착시키는 소위 강한 힘의 전달자입니다.

이 모든 정보는 단일 설정에서 나옵니다. 양성자에 전자를 발사하면 입자가 전자기력의 운반자인 단일 광자를 교환하고 서로 밀어냅니다. 이 전자기적 상호작용은 물리학자들에게 하전된 물체인 쿼크가 스스로 배열되는 경향을 알려줍니다. 그러나 양성자에는 전하보다 더 많은 것이 있습니다.

“물질과 에너지는 어떻게 분포되어 있나요?” 물었다 피터 슈바이처, 코네티컷 대학의 이론 물리학자. “우리는 모릅니다.”

슈바이처는 그의 경력 대부분을 양성자의 중력 측면에 대해 생각하는 데 보냈습니다. 특히 그는 에너지-운동량 텐서라고 불리는 양성자의 속성 매트릭스에 관심이 있습니다. “에너지-운동량 텐서는 입자에 대해 알아야 할 모든 것을 알고 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

중력 인력을 시공간 곡선을 따르는 물체로 해석하는 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 에너지-운동량 텐서는 시공간이 구부러지는 방식을 알려줍니다. 예를 들어, 이는 시공간 왜곡의 가장 큰 원인인 에너지(또는 동등하게 질량)의 배열을 설명합니다. 또한 운동량이 어떻게 분포되는지, 어디에서 압축이나 팽창이 일어나는지, 시공간을 약간 휘게 할 수 있는지에 대한 정보도 추적합니다.

양성자를 둘러싼 시공간 형태를 알 수 있다면, 러시아인 과 미국 사람 물리학자들이 1960년대에 독립적으로 연구한 결과, 에너지-운동량 텐서에 색인된 모든 속성을 추론할 수 있었습니다. 여기에는 이미 알려진 양성자의 질량과 스핀이 포함되며, 양성자의 압력과 힘의 배열과 함께 집합적 특성 물리학자들은 독일어로 압력이라는 단어를 따서 "드럭 용어(Druck term)"라고 부릅니다. 이 용어는 “질량과 스핀만큼 중요하며 그것이 무엇인지 아무도 모른다”고 Schweitzer는 말했습니다. 그러나 그것은 변화하기 시작했습니다.

60년대에는 에너지-운동량 텐서를 측정하고 Druck 항을 계산하려면 일반적인 산란 실험의 중력 버전이 필요한 것처럼 보였습니다. 양성자에 거대한 입자를 발사하고 두 입자가 중력(가설 입자)을 교환하도록 합니다. 그것은 광자가 아니라 중력파를 구성합니다. 그러나 중력이 극도로 약하기 때문에 물리학자들은 중력자 산란이 광자 산란보다 39배 더 드물게 발생할 것으로 예상합니다. 실험으로는 그러한 약한 효과를 감지할 수 없습니다.

“학생 때 이 책을 읽었던 기억이 나네요.” 볼커 부르커트, Jefferson Lab 팀의 구성원입니다. 요점은 "우리는 아마도 입자의 기계적 특성에 대해 아무것도 배울 수 없을 것"이라는 것입니다.

중력 없는 중력

중력 실험은 오늘날에도 여전히 상상할 수 없습니다. 그러나 1990년대 후반과 2000년대 초반에 물리학자 Xiangdong Ji와 별도로 연구한 고 Maxim Polyakov의 연구는 다음과 같습니다. 공개 a 해결 방법.

일반적인 계획은 다음과 같습니다. 양성자에 전자를 가볍게 발사하면 일반적으로 쿼크 중 하나에 광자를 전달하고 시선을 끕니다. 그러나 10억 건 중 1건 미만의 사건에서 특별한 일이 발생합니다. 들어오는 전자는 광자를 보냅니다. 쿼크는 이를 흡수한 다음 심장 박동 후에 또 다른 광자를 방출합니다. 주요 차이점은 이 드문 사건에는 들어오고 나가는 광자 모두 하나가 아닌 두 개의 광자가 관련된다는 것입니다. Ji와 Polyakov의 계산은 만약 실험자들이 생성된 전자, 양성자, 광자를 수집할 수 있다면 이들 입자의 에너지와 운동량으로부터 두 광자에 무슨 일이 일어났는지 추론할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 그리고 그 2광자 실험은 본질적으로 불가능한 중력 산란 실험만큼 유익할 것입니다.

두 개의 광자가 중력에 대해 어떻게 알 수 있습니까? 대답은 형편없는 수학과 관련이 있습니다. 그러나 물리학자들은 이 트릭이 작동하는 이유에 대해 두 가지 방식으로 생각합니다.

광자는 전자기장의 잔물결이며, 전자기장의 값과 방향을 나타내는 공간의 각 위치에서 단일 화살표 또는 벡터로 설명할 수 있습니다. 중력자는 모든 지점에서 두 벡터의 조합으로 표현되는 더 복잡한 장인 시공간 기하학의 파문이 될 것입니다. 중력자를 포착하면 물리학자들에게 두 가지 정보 벡터가 제공됩니다. 이에 못지않게 두 개의 광자는 중력자 역할을 할 수 있는데, 그 이유는 두 광자가 집합적으로 두 개의 정보 벡터를 전달하기 때문입니다.

수학에 대한 대안적인 해석은 다음과 같습니다. 쿼크가 첫 번째 광자를 흡수하고 두 번째 광자를 방출할 때까지의 시간 동안 쿼크는 공간을 통과하는 경로를 따릅니다. 이 경로를 조사함으로써 경로를 둘러싼 압력 및 힘과 같은 속성에 대해 배울 수 있습니다.

“우리는 중력 실험을 하고 있는 것이 아닙니다.”라고 Lorcé는 말했습니다. 그러나 “우리는 양성자가 중력자와 어떻게 상호작용해야 하는지 간접적으로 접근할 수 있어야 합니다.” 

행성 양성자 탐사

제퍼슨 연구소의 물리학자들은 2000년에 몇 가지 2007광자 산란 사건을 수집했습니다. 이러한 개념 증명은 그들이 새로운 실험을 구축하도록 동기를 부여했으며, 500,000년에 그들은 대략 XNUMX번의 중력자 모방 충돌을 축적할 수 있을 만큼 충분한 시간 동안 전자를 양성자로 분쇄했습니다. 실험 데이터를 분석하는 데 XNUMX년이 더 걸렸습니다.

시공간을 구부리는 속성의 색인에서 팀은 파악하기 어려운 Druck 용어를 추출하여 출판했습니다. 그들의 추정 양성자의 내부 압력 자연 2018 인치

그들은 양성자의 중심부에서 강력한 힘이 상상할 수 없는 강도의 압력, 즉 100억 조 파스칼, 즉 중성자별 중심부의 압력의 약 10배에 달하는 압력을 생성한다는 것을 발견했습니다. 중심에서 멀어질수록 압력은 떨어지고 결국 안쪽으로 향하게 됩니다. 양성자가 스스로 폭발하지 않도록 해야 하기 때문입니다. Burkert는 "이것은 실험에서 나온 것입니다."라고 말했습니다. "그렇습니다. 양성자는 실제로 안정적입니다." (이 결과는 아무런 관련이 없습니다. 양성자가 붕괴하는지 여부, 그러나 이는 일부 추측 이론에 의해 예측된 다른 유형의 불안정성을 포함합니다.)

Jefferson Lab 그룹은 Druck 용어를 계속 분석했습니다. 그들은 검토의 일환으로 전단력(양성자 표면에 평행하게 미는 내부 힘)에 대한 추정치를 발표했습니다. XNUMX 월에 출판. 물리학자들은 핵 근처에서 양성자가 표면에 더 가까운 다른 방향으로 비틀림에 의해 중화되는 비틀림 힘을 경험한다는 것을 발견했습니다. 이러한 측정은 또한 입자의 안정성을 강조합니다. Schweitzer와 Polyakov의 이론적 연구를 바탕으로 이러한 왜곡이 예상되었습니다. "그럼에도 불구하고 처음으로 실험에서 나타나는 것을 목격하는 것은 정말 놀랍습니다."라고 Elouadrhiri는 말했습니다.

이제 그들은 이러한 도구를 사용하여 새로운 방식으로 양성자의 크기를 계산하고 있습니다. 전통적인 산란 실험에서 물리학자들은 입자의 전하가 중심에서 약 0.8펨토미터까지 확장된다는 사실을 관찰했습니다(즉, 입자를 구성하는 쿼크가 해당 영역에서 윙윙거립니다). 하지만 그 "충전 반경"에는 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 중성자의 경우(음전하를 띤 두 개의 쿼크가 입자 내부 깊숙이 머무르는 경향이 있는 반면, 양전하를 띤 쿼크 하나는 표면 근처에서 더 많은 시간을 보내는 양성자의 중성 대응물) 전하 반경은 음수로 나타납니다. . “크기가 음수라는 뜻은 아닙니다. 이는 충실한 조치가 아닐 뿐입니다”라고 Schweitzer는 말했습니다.

새로운 접근법은 양성자에 의해 크게 휘어지는 시공간 영역을 측정합니다. 아직 동료 검토를 거치지 않은 사전 인쇄에서 Jefferson Lab 팀은 이 반경이 약 25% 작아짐 충전 반경보다 0.6펨토미터에 불과합니다.

행성 양성자의 한계

개념적으로 이러한 종류의 분석은 압력과 힘이 각 부피 지점에 작용하여 쿼크의 흐릿한 춤을 고체 행성과 같은 물체로 부드럽게 만듭니다. 그 얼어붙은 행성은 그 모든 양자적 영광에서 시끄러운 양성자를 완전히 반영하지는 않지만 유용한 모델입니다. 슈바이처는 “이것은 해석이다.

그리고 물리학자들은 몇 가지 이유로 초기 지도가 거칠다고 강조합니다.

첫째, 에너지-운동량 텐서를 정확하게 측정하려면 Jefferson Lab이 생성할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 충돌 에너지가 필요합니다. 팀은 접근할 수 있는 상대적으로 낮은 에너지로부터 추세를 조심스럽게 추정하기 위해 열심히 노력했지만 물리학자들은 이러한 추정이 얼마나 정확한지 확신하지 못했습니다.

게다가 양성자는 쿼크 이상의 존재입니다. 또한 자체 압력과 힘으로 출렁이는 글루온도 포함되어 있습니다. 2광자 트릭은 글루온 효과를 감지할 수 없습니다. Jefferson Lab의 별도 팀은 유사한 트릭(이중 글루온 상호 작용 포함)을 사용하여 이러한 글루온 효과에 대한 예비 중력 지도를 출판했습니다. 자연 작년하지만 이 역시 제한된 저에너지 데이터를 기반으로 한 것이었습니다.

Jefferson Lab 그룹의 2018년 작업 이후 중력 양성자 연구를 시작하도록 영감을 받은 Brookhaven 국립 연구소의 물리학자 Yoshitaka Hatta는 "이것은 첫 번째 단계입니다."라고 말했습니다.

양성자의 쿼크와 글루온에 대한 더 선명한 중력 지도는 현재 브룩헤이븐에서 건설 중인 실험인 전자이온 충돌기가 작동을 시작하는 2030년대에 나올 수 있습니다.

그동안 물리학자들은 디지털 실험을 추진하고 있다. 피알 라 샤나 한매사추세츠 공과대학의 핵 및 입자 물리학자인 는 강한 힘의 방정식에서 시작하여 쿼크와 글루온의 거동을 계산하는 팀을 이끌고 있습니다. 2019년, 그녀와 그녀의 동료들 압력을 추정했다 그리고 전단력이 있었고, 10월에는 반경을 추정했다, 기타 속성 중에서. 지금까지 그들의 디지털 연구 결과는 Jefferson Lab의 실제 연구 결과와 광범위하게 일치했습니다. Shanahan은 “최근 실험 결과와 데이터 사이의 일관성이 매우 흥미롭습니다.”라고 말했습니다.

지금까지 얻은 양성자의 흐릿한 모습조차도 입자에 대한 연구자들의 이해를 부드럽게 재구성했습니다.

일부 결과는 실용적입니다. 세계 최대의 양성자 분쇄 장치인 대형 강입자 충돌기를 운영하는 유럽 조직인 CERN의 물리학자들은 이전에 특정 드문 충돌에서 쿼크가 충돌하는 양성자 내의 어느 곳에나 존재할 수 있다고 가정했습니다. 그러나 중력에서 영감을 받은 지도는 그러한 경우 쿼크가 중심 근처에 머무르는 경향이 있음을 시사합니다.

실험에 참여했던 제퍼슨 연구소의 물리학자인 Francois-Xavier Girod는 "이미 CERN에서 사용하는 모델이 업데이트되었습니다."라고 말했습니다.

새로운 지도는 또한 양성자의 가장 깊은 미스터리 중 하나인 쿼크가 양성자와 결합하는 이유를 해결하기 위한 지침을 제공할 수도 있습니다. 각 쿼크 쌍 사이의 강한 힘은 탄성 밴드처럼 서로 멀어질수록 강해지기 때문에 쿼크는 결코 동료에게서 벗어날 수 없다는 직관적인 주장이 있습니다.

그러나 양성자는 쿼크족 중 가장 가벼운 구성원으로 만들어집니다. 그리고 가벼운 쿼크는 양성자 표면 너머로 뻗어나가는 긴 파동으로 생각할 수도 있습니다. 이 그림은 양성자의 결합이 탄성 밴드의 내부 당김을 통해서가 아니라 물결 모양의 끌어당겨진 쿼크 사이의 외부 상호 작용을 통해 이루어질 수 있음을 시사합니다. 압력 지도는 1.4펨토미터 이상까지 확장되는 강한 힘의 인력을 보여주며, 이러한 대안 이론에 대한 주장을 뒷받침합니다.

Girod는 “그것은 명확한 대답은 아니지만 탄성 밴드를 가진 이러한 단순한 이미지가 라이트 쿼크와 관련이 없다는 사실을 가리킨다”고 말했습니다.